近年来,随着工业化以及城市化进程的不断加快,我国的雾霾污染日益严重,中国500个大型城市中,仅有不到1%的城市空气质量可以达到世界卫生组织规定的标准。雾霾中的超细颗粒物,尤其是PM2.5(空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒),因颗粒尺寸小、易携带有毒物质、在大气中滞留时间长以及输运距离远等特点,进入人体后易导致哮喘病、支气管炎、心血管疾病、肺癌等疾病的发生,严重威胁人类的身体健康。2010年空气中颗粒物污染成为全球第7大死亡诱因,全球超过300万人死于该污染所引发的各种疾病,并造成了中国超过120万人死亡,2400多万人寿命缩短,2013年世界卫生组织首次将雾霾列为一级致癌物。因此,开发高效空气过滤材料以降低雾霾污染带来的的严重危害,已成为目前亟待解决的关乎民生大计的重大课题之一。现有商品化微米及亚微米高效空气过滤材料主要有熔喷驻极非织造纤维材料与超细玻璃纤维材料两大类。熔喷驻极非织造纤维材料因其静电吸附作用而具有相对较高的颗粒过滤效率,但其纤维直径粗、孔径大且驻极电荷在空气中水分子及颗粒作用下耗散后导致材料的过滤效率骤降,难以保证其使用的安全性;超细玻璃纤维材料因直径较细、孔径较小在一定程度上提高了物理拦截过滤材料的过滤效率,但其脆性大、耐弯折性差,脱落后危害人体健康,限制了其广泛应用。静电纺纳米纤维空气过滤材料因具有直径细、孔径小、孔隙率高、连续性好等结构特点可有效拦截空气中的微小颗粒物。近年来,随着研究的不断深入,科研人员发现进一步细化纤维直径可显著提升材料的空气过滤性能,目前已成功制备了多种不同种类的静电纺纤维空气过滤材料,但其纤维直径多在100nm以上,难以进一步细化,严重限制了材料过滤性能的大幅提升,依然存在对最易穿透粒径(~0.3μm)颗粒物过滤效率不足的瓶颈问题。近期,研究人员利用新型静电喷网技术制备出一种二维网状超细纳米纤维材料—纳米蛛网,网中纤维直径~20nm,其网孔较小且具有拓扑Steiner树结构,有望成为一种理想的空气过滤材料。本文在概述了纳米蛛网结构、种类及其空气过滤应用研究现状的基础上,系统分析了现有材料存在的不足,明确了问题解决的关键是揭示纳米蛛网的成型机制,明晰纳米蛛网材料结构与其过滤性能间的构效关系。为此,本论文将深入研究纳米蛛网的成型机制,以泰勒锥尖端荷电流体的受力分析为切入点,构建了定量描述溶液性质、工艺参数及材料结构间关系的数值模型,实现了纳米蛛网结构的精确调控及覆盖率的大幅提升。在此基础上,系统研究了纳米蛛网结构及其空气过滤性能间的关系,设计制备出了具有高效低阻特性的纳米蛛网空气过滤材料。所取得的主要研究成果如下:(1)以明晰纳米蛛网的成型机制为出发点,构建了定量描述溶液性质、工艺参数及材料结构间关系的数值模型,并对其进行了实验验证。通过研究泰勒锥尖端荷电流体所受库伦斥力与表面张力间的竞争关系,提出了“射流”、“射流与液滴”两种喷射模式,获得了两种喷射模式的临界条件(“射流”临界条件:(?)“射流与液滴”临界条件:(?)通过分析荷电液滴飞行过程中的热力学演变规律,我们进一步构建了聚合物-溶剂体系的最低临界溶液温度相图。此外,结合基于电压、无机盐含量、表面活性剂含量及混合溶剂比例调控的实验对数值模型的预测结果进行了实验验证,所得实验测试值与理论预测值吻合。(2)制备了超轻高效且具有优异力学性能的聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)纳米蛛网空气过滤膜。通过研究溶液浓度、相对环境湿度以及十二烷基三甲基溴化铵添加量对纳米蛛网形貌及力学性能的影响规律,确定了制备具有高蛛网覆盖率的PMIA纳米蛛网膜的最佳条件。随后,我们系统考察了PMIA支架纤维直径、蛛网覆盖率以及蛛网膜克重与其空气过滤性能间的内在关联。研究结果表明,高蛛网覆盖率条件下,PMIA纳米蛛网膜具有超轻克重(0.365g m-2),超薄厚度(~0.5μm)和优异的力学性能(72.8MPa),其可在较低压阻下(92Pa)通过物理筛分作用实现对~300nm颗粒的高效(>99.97%)拦截。(3)为了保证在高过滤效率的前提下进一步降低纤维空气过滤材料的压阻,以蛛网/立体空腔结构复合空气过滤膜的构建为出发点,研究了PMIA短纤插层和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)长丝嵌入两种蛛网/空腔复合过滤膜的制备及结构调控方法。先后考察了聚酰胺-6(PA-6)溶液浓度、PMIA短纤含量、PET长丝直径以及PET长丝间距对复合膜形貌、孔结构以及堆积结构的影响规律,获得了两种具有稳定立体空腔结构的褶皱状蛛网/空腔复合过滤膜。在此基础上,系统研究了复合膜形貌结构对材料空气过滤性能的影响。研究结果表明,利用立体空腔结构可有效降低气流通过纤维膜时的空气阻力,从而获得高效低阻(99.995%,101Pa)的纳米蛛网复合空气过滤膜。(4)研究了具有梯度孔道结构的聚砜/聚丙烯腈/聚酰胺-6(PSU/PAN/PA-6)纤维/蛛网多尺度复合过滤膜的构筑方法。通过对不同聚合溶液体系进行静电纺丝并优化纺丝时间,依次制备了PSU微米纤维(直径~1μm)、PAN纳米纤维(直径~200nm)以及PA-6纳米蛛网(直径~20nm)过滤层,进而获得了PSU/PAN/PA-6纤维/蛛网复合过滤膜材料。该复合膜具有梯度孔道结构(~2.2、~0.6、~0.27μm),可完全利用物理筛分作用对多尺度(>2、>0.5、>0.3μm)颗粒物进行有效拦截,最终实现了对最易穿透粒径(~300nm)颗粒的高效(99.992%)低阻(118Pa)过滤。该新型的空气过滤膜可避免因风速过高、驻极衰减以及环境潮湿等外部因素所带来的不利影响,为高效低阻空气过滤材料的开发提高了一种新思路。(5)研究电场分布状态及双组份混合溶液相分离程度对纳米蛛网成型的影响规律,引入电场平衡因子τr,完善了现有液滴生成、形变、相分离的纳米蛛网成型机制(“射流”临界条件:(?)“射流与液滴”临界条件:(?)通过定量调控电场分布及溶液相分离程度,设计制备出了超轻(克重~0.12g m-2)、超薄(厚度~350nm)、高弹、高透光(透光率>85%)的自支撑高效低阻(PM0.3过滤效率99.984%,阻力压降<68Pa)PMIA/PU纳米蛛网空气过滤材料。通过对其力学性能进行系统研究,提出了PMIA/PU蛛网纤维膜的三步断裂机理,并通过表征蛛网微观结构演变对其进行了验证。随后利用SEM原位观察了PMIA/PU蛛网纤维膜的颗粒捕集过程,提出了PMIA/PU蛛网纤维膜的多级拦截机制,并基于空气滑移效应,引入修正因子φ,构建了适用于纳米蛛网空气过滤材料的全新过滤模型:(?)。此外,我们进一步考察了材料的实际过滤应用性能,结果表明在室外中度雾霾污染环境中连续测试120h后,材料对PM2.5的过滤效率基本保持不变(>99.7%)且阻力压降仅略有增大(由25Pa增大至28Pa),具有较好的长效使用性。